JP5204617B2 - すべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、すべり軸受、特に内燃機関のすべり軸受の技術に関する。

近年の自動車エンジンは、高速化により出力の向上が図られているが、潤滑油を介してクランクシャフトを支持するすべり軸受は、クランクシャフトに対して高速、大荷重のもとで摺動する。

クランクシャフトの回転時には、すべり軸受の内周面に油膜圧力が発生する。この油膜圧力は、最小油膜厚さとなる部位（すなわち、クランクシャフトとすべり軸受との間隔が最小）において、最大油膜圧力となる。この最大油膜圧力の値が大きいと、潤滑油のせん断等が起こりやすく、すべり軸受の焼き付き、摩耗等が生じる。そのため、すべり軸受の内周面に発生する最大油膜圧力を小さくすることが要求されている。

従来、すべり軸受の背面には、すべり軸受が取り付けられるハウジング（例えば、コネクティングロッドの大端部）とのフレッティング摩耗を抑制するため、銀めっき、リン酸塩被膜の形成、合成樹脂の形成、固体潤滑剤含有金属めっき等が施されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

しかし、特許文献１〜４のすべり軸受の背面に形成される上記膜は、弾性率が高いか又は膜厚が薄いため（例えば、１〜３０μｍ）、すべり軸受の内周面に発生する最大油膜圧力に対して弾性変形しないか又は弾性変形しても、焼き付き、摩耗等の発生を抑制することができる程度まで最小油膜厚さを広げる（すなわち最大油膜圧力を減少させる）ことができない。

特開平７−５４８３４号公報 特開平７−２５９８７０号公報 特開平７−２９３５４７号公報 特開平７−１０３２３８号公報

そこで、本発明の目的は、耐焼き付き性及び耐摩耗性に優れたすべり軸受を提供することにある。

本発明のすべり軸受は、潤滑油を介して軸を支持する軸受本体と、前記軸受本体の背面に設けられる弾性体とを有し、前記弾性体の弾性率（Ｘ）が０．００５ＧＰａ以上１．０ＧＰａ以下の範囲の時、前記弾性体の厚さ（Ｙ）が下式（１）の範囲であり、前記弾性体の弾性率（Ｘ）が１．０ＧＰａ超２．０ＧＰａ以下の範囲の時、前記弾性体の厚さ（Ｙ）が下式（２）の範囲であることが好ましい。式（１）は、５０（μｍ）≦Ｙ（μｍ）≦１５０Ｌｎ・（Ｘ）＋５００（μｍ）、式（２）は、２５０（μｍ）≦Ｙ（μｍ）≦５００（μｍ）である。

本発明によれば、すべり軸受の内周面に発生する最大油膜圧力を減少させ、耐焼き付き性及び耐摩耗性に優れたすべり軸受を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本実施形態では、エンジンのクランクシャフトを支持する軸受に適用したものを一例として説明するがこれに制限されるものではない。図１は、本発明の実施形態に係るすべり軸受をコンロッドに取り付けた状態の一例を示す模式正面図である。図２は、本発明の実施形態に係るすべり軸受の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、コンロッド１０はクランクシャフト１２と連結する大端部１４と、図示しないピストンのピストンピンと連結する小端部（不図示）と、両者を結ぶロッド部（不図示）とを有する。コンロッド１０は、半円状に分割することができるものである。半円状に分割できるコンロッド１０はボルト１６によって締結されている。コンロッド１０はピストンの往復動をクランクシャフト１２の回転運動に変換する働きをする。

図１に示すように、コンロッド１０の大端部１４とクランクシャフト１２との間にすべり軸受１８が介装される。すべり軸受１８とクランクシャフト１２との間には潤滑油が供給される。図２に示すように、すべり軸受１８は、軸受本体２０と軸受本体２０の背面に設けられる弾性体２２とを有するものである。本実施形態におけるすべり軸受１８は、半円状とした一対の部材を付き合わせることにより、全体として円筒状に形成される。

軸受本体２０は、鋼材等の裏金上（軸受本体内面に相当する箇所）に合金、樹脂等の摺動層を設けた二層軸受や、さらにオーバレイを設けた三層軸受等を適宜選択して適用することができる。裏金としては、例えば冷間圧延鋼板等が良好に使用できるが、これに制限されるものでは無く適宜選択使用できる。特に加工が容易な低炭素鋼等が望ましい。摺動層を構成する材料としての合金は、例えばアルミニウム系合金、銅系合金等、摺動層を構成する材料としての樹脂は、例えばポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はこれらをベースにした樹脂等、従来から公知の材料を適宜選択して使用することができる。

図３は、本実施形態に用いられる弾性体の弾性率及び厚さの関係を表す図である。図３に示すように、本実施形態の弾性体は、弾性率（Ｘ）が０．００５ＧＰａ以上１．０ＧＰａ以下の範囲の時、厚さ（Ｙ）が下式（１）の範囲であり、弾性率（Ｘ）が１．０ＧＰａ超２．０ＧＰａ以下の範囲の時、弾性体の厚さＹが下式（２）の範囲である。
５０（μｍ）≦Ｙ（μｍ）≦１５０Ｌｎ（Ｘ）＋５００（μｍ） （１）
２５０（μｍ）≦Ｙ（μｍ）≦５００（μｍ） （２）

上記弾性率及び厚さを有する本実施形態の弾性体２２は、軸（クランクシャフト１２）の回転時に軸受本体２０の内面に発生する最大油膜圧力を低減（３％以上）させることができる。軸受本体２０の内面に油膜圧力が生じると、それに伴い弾性体２２が弾性変形し、荷重を受ける面積が拡大する。その結果、軸受本体２０の内面に発生する油膜圧力を分散させ、最大油膜圧力を低減させることができる。最大油膜圧力が低減するということは、最小油膜厚さが広がる、すなわち、軸（クランクシャフト１２）とすべり軸受１８との間隔が広がることでもあるため、すべり軸受１８と軸（クランクシャフト１２）との間にある潤滑油のせん断等を抑制することができる。したがって、すべり軸受１８の耐焼き付き性、耐摩耗性等を向上させることができる。例えば、０．００５以上１．０ＧＰａ以下又は１．０ＧＰａ超２．０ＧＰａ以下の範囲の弾性率を有する弾性体を軸受本体の背面に設けても、弾性体の厚さが上記範囲より薄い場合には、軸受本体の内面に油膜圧力が生じると、それに伴い弾性体は弾性変形するが、弾性変形の限界値が小さいため、すべり軸受の焼き付き、摩耗等を抑制することができる程度にまで最小油膜厚さを広げる（すなわち、最大油膜圧力を低減）ことができない。また、例えば、０．００５以上１．０ＧＰａ以下又は１．０ＧＰａ超２．０ＧＰａ以下の範囲の弾性率を有する弾性体を軸受本体の背面に設けても、弾性体の厚さが上記範囲より厚い場合には、軸受本体の内面に油膜圧力が生じても、それに伴う弾性体の弾性変形の分布が異常となって最小油膜厚さの位置が変化し、すべり軸受の焼き付き、摩耗等を抑制することができる程度にまで最小油膜厚さを広げる（すなわち、最大油膜圧力を低減）ことができない。さらに、弾性体の弾性率が上記範囲外の場合では、弾性変形しないか、弾性変形の限界値が小さいか、変形分布が異常となって、焼き付き、摩耗等を抑制することができないか又はすべり軸受が破損する場合等がある。

本実施形態の弾性体２２を構成する材料は、上記弾性率及び厚さを有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、合成樹脂、ゴム等が挙げられる。また、弾性体２２は、合成樹脂、ゴムペースト等を軸受本体の背面にコーティングすること又は合成樹脂、ゴムシートを軸受本体２０の背面に介装することにより形成される。

以下に、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はその要旨を変えない限り、以下の実施例に何ら制限されるものではない。

表１に示す弾性率及び厚さを有する弾性体を実施例及び比較例として、以下の各評価試験を行った。実施例１〜１３及び比較例２〜６は、弾性体として合成樹脂を用いた。比較例７は、弾性体として銀めっき膜を用いた。なお、比較例１は、弾性体無しの例である。

＜有限要素法解析による実施例１〜１３及び比較例１の最大油膜圧力の評価＞
表１に示す弾性体の弾性率及び厚さ以外は、実施例及び比較例のすべり軸受及び軸を同一形状、同一材質、同一サイズとして、コンピュータによる有限要素法解析により、すべり軸受及び軸をモデル化し、軸受本体の内面に発生する油膜圧力分布を評価した。

図４は、有限要素法（ＦＥＭ）解析による実施例６と比較例１の油膜圧力分布を示す図である。図４に示す実線は、実施例６のすべり軸受の油膜圧力分布であり、破線は、比較例１（軸受本体の背面に弾性体を備えていないすべり軸受）の油膜圧力分布である。弾性率０．５ＧＰ、厚さ５０μｍの弾性体を備える実施例６は、弾性体を備えていない比較例１と比べて最大油膜圧力を１０％以上低減させることが可能であるとわかった。また、比較例１は油膜圧力分布の幅が狭いのに対し、実施例６の油膜圧力分布の幅が広がっている。これは、弾性体の弾性変形により、軸受本体が受ける油膜圧力を分散しているためである。

有限要素法（ＦＥＭ）解析により、実施例１〜１３全ては、比較例１と比べて最大油膜圧力を３％以上低減させることが可能であるとわかった。特に、実施例１（弾性体の弾性率０．０５ＧＰａ、厚さ５０μｍ）、実施例３（弾性体の弾性率０．２ＧＰａ、厚さ５００μｍ）、実施例４（弾性体の弾性率０．２ＧＰａ、厚さ１５０μｍ）、実施例６（弾性体の弾性率０．５ＧＰａ、厚さ５０μｍ）、実施例７（弾性体の弾性率０．５ＧＰａ、厚さ２００μｍ）は、比較例１と比べて最大油膜圧力を２０％以上低減させることが可能であるとわかった。

＜実施例１２，１３及び比較例６，７の焼き付き面圧試験＞
図５は、焼き付き面圧試験装置の模式図である。図５に示すように、軽油２４に一部浸漬させた回転軸２６（ＬＦＷ−１）、回転軸２６と対向する面に表１に示す実施例１２，１３又は比較例６，７の弾性率及び厚さの弾性体３０を形成したホルダ２８、ホルダ２８と弾性体３０との当接面に設けられる熱電対３２を備える焼き付き面圧試験装置１により、焼き付き面圧試験を行った。焼き付け面圧試験装置１による焼き付け面圧の値は、回転軸２６を下記条件で回転させると共に、弾性体３０に下記条件の荷重が掛かるようにホルダ２８を移動させて、熱電対３２の温度が初期値から１００％上昇した際の弾性体３０に掛かる荷重値である。
弾性体：シリコンゴム
弾性体の寸法：１０ｍｍ×６．３ｍｍ（Ｒ＝１７．５）
回転軸の寸法：内径Φ３５ｍｍ
回転軸周速：３．７ｍ／ｓ
荷重：３分毎０．５ＬＢずつ上昇
軽油温度：８０℃

＜実施例１〜１３及び比較例１〜７の焼き付き兆候面圧試験＞
図６は、焼き付き兆候面圧試験装置の模式図である。図６に示すように、モータ３４、モータ３４の稼働により回転する回転軸３６、回転軸３６の周囲に設けられる円筒形のハウジング３８、ハウジング３８に固定されるすべり軸受４０、すべり軸受４０に設けられる熱電対４２、すべり軸受４０に荷重を繰り返し付与する加振機４４を備える焼き付き兆候面圧試験装置２により、焼き付き兆候面圧試験を行った。焼き付き兆候面圧試験では、回転軸３６と反対側のすべり軸受の面に実施例１〜１３又は比較例１〜７の弾性体を形成した。また、焼き付き兆候面圧試験装置２による焼き付け兆候面圧の値は、下記条件で試験を行い、熱電対の温度が初期値から１００％上昇した際、また、摩擦トルクが初期値から１００％上昇した際のすべり軸受４０に掛かる荷重値である。
軸受本体：冷間圧延鋼板に銅合金を焼結したもの（摺動面に銅合金）
弾性体：ウレタン樹脂
すべり軸受寸法：内径Φ２６ｍｍ、摺動幅５ｍｍ
回転軸周速：２．７ｍ／ｓ
荷重：３分毎に１００ｋｇｆずつ上昇
荷重周波数：３Ｈｚ
潤滑油温度：４０℃
潤滑油粘度：２．５ｍｍ^２／ｓ（４０℃）

実施例１２，１３の焼き付け面圧は、比較例７と比べて全て３倍以上向上した。また、実施例１〜１３の焼き付け兆候面圧は、比較例１と比べて全て３％以上向上した。

実施例１〜１３のようにすべり軸受の背面に設けられる弾性体の弾性率及び厚さを適正値にすることにより、すべり軸受の荷重を低減させるように弾性体が弾性変形し、すべり軸受の耐焼き付き性、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るすべり軸受をコンロッドに取り付けた状態の一例を示す模式正面図である。 本発明の実施形態に係るすべり軸受の構成の一例を示す模式断面図である。 本実施形態に用いられる弾性体の弾性率及び厚さの関係を表す図である。 有限要素法（ＦＥＭ）解析による実施例４と比較例１の油膜圧力分布を示す図である。 焼き付き面圧試験装置の模式図である。 焼き付き兆候面圧試験装置の模式図である。

符号の説明

１ 焼き付き面圧試験装置、２ 焼き付き兆候面圧試験装置、１０ コンロッド、１２クランクシャフト、１４ 大端部、１６ ボルト、１８ すべり軸受、２０ 軸受本体、２２ 弾性体、２４ 軽油、２６ 回転軸、２８ ホルダ、３０ 弾性体、３２ 熱電対、３４ モータ、３６ 回転軸、３８ ハウジング、４０ すべり軸受、４２ 熱電対、４４ 加振機。

Claims (1)

1. 潤滑油を介して軸を支持する軸受本体と、前記軸受本体の背面に設けられる弾性体とを有し、
   前記弾性体の弾性率（Ｘ）が０．００５ＧＰａ以上１．０ＧＰａ以下の範囲の時、前記弾性体の厚さ（Ｙ）が下式（１）の範囲であり、前記弾性体の弾性率（Ｘ）が１．０ＧＰａ超２．０ＧＰａ以下の範囲の時、前記弾性体の厚さ（Ｙ）が下式（２）の範囲であることを特徴とするすべり軸受。
   ５０（μｍ）≦Ｙ（μｍ）≦１５０Ｌｎ（Ｘ）＋５００（μｍ） （１）
   ２５０（μｍ）≦Ｙ（μｍ）≦５００（μｍ） （２）